電力系統調度自動化中光纖通信技術的應用研究

徐文杰

（國網吉林省電力有限公司樺甸市供電公司，吉林 樺甸 132400）

0 引 言

電力系統調度自動化是我國電力行業實現現代化與智慧化發展的重要環節，將物聯網、大數據、人工智能等科學技術應用于電力系統，進一步加強電力系統的綜合運營管理水平，進而提高電力系統運行安全與供電質量。互聯網時代背景下，電力系統調度工作具有較為顯著的大數據特征，而傳統的通信技術已經無法滿足電力系統調度自動化需求，因此人們將光纖通信技術引入電力系統調度，并在實踐中取得一定成果。然而光纖通信技術在電力系統調度自動化中的應用時間相對較短，需要進一步深入研究。

1 光纖通信技術概述

光纖通信技術在具體應用中以光纖作為傳輸介質，以光作為載波進行信息傳輸。光纖主要包括涂層、包層和纖芯3 個部分。其中，纖芯位于最內層，內芯直徑為10 ～100 μm，包層屬于中間層，涂層屬于最外層，對整個光纖設備起到保護作用[1]。光纖通信技術原理如下：首先，在系統發送端將信息數據轉換為電信號；其次，將電信號調制到發射激光，光信號幅度變化導致光的強度也發生變化，進而完成信息發送；最后，系統接收端接收到光信號后，將其轉換為電信號，形成一個完整的光纖傳輸過程。光纖通信技術原理如圖1 所示。

圖1 光纖通信技術原理

2 光纖通信技術的特點

2.1 保密性能高

電磁能量在傳輸期間會受各種因素的影響，出現電磁向外擴散的情況，進而出現電磁波泄漏問題。電磁波泄漏易致電子設備系統中的信息數據泄露，難以保障系統安全[2]。光纖通信技術可以解決該問題，光波無法逃逸出光纖系統，其將信息數據以光信號的形式在光波導結構中進行有序傳輸，不會出現信號偏離的情況，即便出現光信號遺漏問題，也能利用包層將信號有效吸收，大幅提高信號的保密性能。

2.2 傳輸容量大、傳輸距離遠

光纖通信技術中的光纖材料具有更寬的傳輸頻帶，信號傳輸容量更大。同時，光纖通信技術中的調制方式會影響系統傳輸容量，與傳統的電纜或銅線材料相比具有顯著優勢[3]。此外，光纖通信技術中的光纖材料具有更小的信號衰減，系統中繼設備數量極少，在實際應用中能夠傳輸更遠的距離，保障通信系統的穩定性與便利性。

2.3 抗干擾能力強

光纖材料以石英材料為核心制作而成，具有更好的抗干擾能力。石英材料質地堅韌，具有較高的抗腐蝕性與絕緣性，因此在信號傳輸過程中具有足夠的穩定性，無法輕易被破壞[4]。同時，光纖材料對雷電等自然現象具有較強的抗干擾能力，能夠屏蔽太陽黑子活動的影響，保障電力通信系統的正常穩定運行，且大幅提升電力通信質量。

3 光纖通信技術在電力系統調度自動化中的實踐應用

3.1 供電單位基本情況

2020 年，某鄉鎮實際用電量達到33.2×108kW·h，最高用電負荷達到528.7 MW，系統供電負荷主要為區域內工業園區的工業用戶。隨著工業園區進一步發展擴建，其對電力系統的運行提出了更高的要求，需要保證電力系統運行具備較高的安全性與穩定性。該鄉鎮目前僅有一座35 kV 變電站，電力系統通信方式為載波通信，無法進行數字信號傳輸，且不具備綜合數據網與調度數據網開通的基本條件，難以滿足地區發展需求。在此背景下，管理部門決定新建一座110 kV 變電站，利用光纖通信技術設計電力調度自動化系統。電力調度自動化系統的功能是實時監控電網系統運行情況，采用調度數據網絡通道與專線通道形式，其中數據網絡通道接口為調度數據網100 Mb/s帶寬BASE 接口，專線通道接口為多業務傳送平臺（Multi Service Transport Platform，MSTP）數據網接口，通信協議為傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。

3.2 電力通信網絡體系結構

該鄉鎮的光通信傳輸網絡設計為多屬性傳輸協議（Multiattribute Transport Protocol，MATP）技術體制，依據雙平面形式建設傳輸a 網與傳輸b 網，每個傳輸網中又分為接入層和骨干層。其中，傳輸a 網的骨干層由3 個接入帶寬為2.5 Gb/s 的環網共同組成；接入層帶寬為155 Mb/s，均以鏈路結構或環網的方法進行組網。傳輸a 網的主要業務包括調度自動化、電能計量和線路保護等。傳輸b 網的骨干層由3 個接入帶寬為2.5 Gb/s 的環網共同組成；接入層帶寬為155 Mb/s，保證調度數據網正常穩定運行。

3.3 光纜線路設計

光纜設計時需要確定最佳路由方案，結合該鄉鎮現有電力調度系統情況，設計2 條光纜線路與周圍變電站連接，導線截面積設計為400 mm2，地線為架空光纜，選擇24 芯光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）光纜材料，導線截面積在100 mm2范圍內。新建110 kV 變電站系統在接入后由鄉鎮調度管理。在對光纜線路抗雷擊性能、機械性能以及線路鐵塔承受能力等因素綜合分析后，最終選擇G.652D 標準、工作波長為1 310 nm或1 550 nm、24 芯的單模光纖材料，纖芯單位設計為全鋁包鋼層絞式，最外層光纜單絲直徑在2.8 mm以上。光纜結構具體情況如圖2 所示。

圖2 光纜結構

3.4 配套通信設備設計

電力系統調度自動化配套通信設備包括數據網設備、光通信設備以及通信電源監控系統等設備。

3.4.1 光通信設備

依據新建變電站的通信系統通道設計要求和接入鄉鎮原有傳輸網組網方式等信息，新建變電站調度自動化系統中的通信傳輸網絡依據雙層光傳輸平臺的形式進行設計，整座變電站內設計2套脈碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）復接設備、2 套MATP 傳輸設備和2 套獨立運行通信直流供電系統。光纖通信系統中的雙重化設計能夠進一步提高電力調度自動化系統的安全性與可靠性，在其中1套系統出現故障問題后，可以及時啟動備用系統確保電力系統的穩定運行[5]。

傳輸a 網的設計方案如下：110 kV 變電站安裝1 套傳輸容量為622 Mb/s 且具備自動交換光網絡（Automatically Switched Optical Network，ASON） 功能的MSTP 傳輸設備，具體型號為華為OSN2500，其中包括STM-1 光板2 塊，途經周圍220 kV 變電站跳纖與外部電力系統傳輸a 網連接。

傳輸b 網的設計方案如下：110 kV 變電站安裝1 套傳輸容量為622 Mb/s 且具備ASON 功能的MSTP傳輸設備，具體型號為中興ZXMPS330，其中包括STM-1 光板2 塊，途經周圍220 kV 變電站跳纖與外部電力系統通信傳輸b 網連接，具體結構與傳輸a 網基本相同。

3.4.2 接入網設備

新建變電站調度自動化系統配備2 套智能型PCM 復接設備，型號分別是法國薩基姆SAGEMFMX12 與華為FA16，變電站語音、遠動和計量等操作至鄉鎮地調的通信通過新建PCM 設備完成，并在地調系統中配置相關PCM 業務板卡。PCM 終端機設計為智能型，具有話路容量擴展能力和交叉能力，通過集成方法將交叉連接電路、網絡控制和電源等公共系統規劃到同步數字序列（Synchronous Digital Hierachy，SDH）統一網管中，PCM 與SDH 之間的連接通道帶寬為2 Mb/s。

3.4.3 通信電源監控系統

新建變電站設計2 套獨立運行的-48 V 直流通信電源系統，其中包括48 V/300 Ah 蓄電池組、直流配線柜以及通信系統專用的高頻開關電源。每套整流裝置的電源設計2 個不同變壓器供電，一個作為主用，一個作為備用。在正常運行狀態下，變電站使用的380V 或220 V 電源裝置在整流后可以浮充蓄電池并為負載系統提供充足的電力，出現交流故障問題時，通信專用蓄電池啟動對通信系統供電。通信電源同步配置告警監控系統，對電力調度自動化系統的運行狀態進行實時監控分析，以此消除電力系統運行期間的安全隱患。利用光纖通信技術能夠全面監控與排查電力調度自動化系統中出現的安全隱患，在發生故障問題時將線路系統及時切斷，以此避免繼電保護拒動等問題。

3.5 數據網絡設計

該工程中的調度數據網設計情況如下：新建變電站利用EI 轉換單元和接入路由器，通過2M 鏈路與周圍變電站的調度數據網連接匯聚節點，通過網絡通道開通計量和遠動等業務。利用同軸電纜將綜合配線屏與數據網設備屏的數字配線架（Digital Distribution Frame，DDF）配線單元有效連接，利用網線將通信接口屏和數據網設備屏的分配線架配線單元有效連接。利用ASON 技術大幅度縮短了新建變電站與調度之間的信號傳輸距離。

綜合數據網的設計情況如下：新建變電站設計1 套以太網接入層交換機主機與相應的光接口單元，通過網絡通道完成視頻監控、電子印章系統以及生產管理信息系統等業務。對側220 kV 變電站的綜合數據網匯聚層中設計光接口單元，與新建變電站的交換機進行對接。利用尾纖將光纖配線屏與數據網設備屏的光纖配線架（Optical Distribution Box，ODF）配線單元有效連接，利用網線將通信接口屏和數據網設備屏的IDF 配線單元有效連接。

4 結 論

為迎合時代發展需求，需要將光纖通信技術靈活應用于電力系統。因此，文章充分利用光纖通信技術抗干擾能力強、傳輸容量大以及傳輸質量高的優點，以光纖通信技術為基礎設計更加科學化、智能化的電力調度自動化系統，對電網系統的運行狀態進行全面實時監控，進而提高電力能源供應的穩定性與安全性。